JP4037217B2

JP4037217B2 - ３相対３相電力変換装置

Info

Publication number: JP4037217B2
Application number: JP2002244796A
Authority: JP
Inventors: ウォルターコラールヨハン
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2022-08-26
Also published as: EP1289112A3; AT500546B1; US20030043598A1; US6580621B2; EP1289112A2; DE60232705D1; JP2003102176A; AT500546A1; EP1289112B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固有振動の振幅と周波数を自由に設定可能で、かつ誘導負荷を供給するパルス幅変調された三相電圧を生成可能な３相対３相電力変換装置に関するものであり、特に、最小限の個数をターンオフ可能なパワー半導体を用いて具体化した３相対３相電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術では、三相システムの間で、直接的なエネルギー変換（パルス幅制御）、すなわち、中間回路蓄積部材を有していないエネルギー変換（パルス幅制御）を実現するために、マトリクスコンバータが利用されている。
【０００３】
一方で、ターンオフ可能なパワー半導体の個数が少ない、という利点を備えるものとしては、出力側の三相の電圧中間回路パルス制御変換器と、個々のブリッジ分岐の完全なターンオフを可能にする三相ネットワークにつながれた入力側のパルス制御変換器と、の組合せが利用されている。具体化のコストが少ないことでマトリクスコンバータよりも有利であるこのような種類のコンバータ構造（交流電圧・交流電圧・コンバータ）は、オーストリア特許出願「三相システム間で準直接的なパルス幅制御によるエネルギー変換を行う装置」（出願日２００１年７月２７日、発明者：Ｋｏｌａｒ／Ｅｒｔｌ）に記載されている。
【０００４】
ここでは、入力側の電力変換装置のブリッジ分岐を具体化するために、ターンオフ可能な３つのパワー半導体が使用される。これにより、この交流電圧・交流電圧・コンバータは、全部で１５個のターンオフ可能なパワー半導体（ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴ）を有することになる。
【０００５】
また、中間回路素子がないので、ダイレクト変換器とみなすことができるこのシステムの制御では、線間電源電圧が常に出力側の電圧中間回路パルス制御変換器の入力部に入力される。そして、この電源電圧が、相応のパルス幅変調処理によって、電流を注入する消費部へ供給される所望の三相電圧に変換される。この場合、電圧中間回路パルス制御変換器の入力部には、連続的な消費部相電流の一部が発生し、入力側のパルス制御変換器を介して電源部に転送される。このように、線間の電源相電圧を相応に切り換えることによって、入力フィルタで切り換え周波数のスペクトル割合を抑圧した後に、正弦波形の電流供給を実現することができる。
【０００６】
また、出力側のパルス制御変換器は、直流電圧側で整流され、入力側のパルス制御変換器は、電源側で、すなわち、交流電圧側で整流されるので、上記コンバータは、三相ハイブリッド型交流電圧・交流電圧・コンバータ（以下、ハイブリッド型ダイレクト変換器と呼ぶ）と呼ぶことができる。
【０００７】
また、入力側の電力変換装置の切り換えは、２つの電源相の短絡が生じないようにしなければならない。すなわち、オーバーラップするように行われてはならない。しかしながら、このような種類の切り換えを行う場合は、最終的に負荷インダクタンスを注入される電圧中間回路パルス制御変換器の入力電流が断絶されるので、パワー半導体の逆電流を制限するために、切り換えインターバルにおいて、電圧中間回路パルス制御変換器の入力部に電流を通す過電圧制限部材を設ける。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記、従来のハイブリッド型ダイレクト変換器（３相対３相電力変換装置）は、マトリクスコンバータに比べて複雑性は低いが、１５個のパワートランジスタが必要となる。そのため、切り換え過電圧の問題を回避するという原則の中では、それぞれ６個のパワートランジスタ（および逆平行ダイオード）を必要とする中間回路コンデンサを備える２つの電圧中間回路パルス制御変換器の交流電圧側の結合に比べて、パワートランジスタが３個も多く必要になる、という問題があった。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、１２個のターンオフ可能なパワー半導体（パワーダイオードとの組合せ）を備える３相交流電圧・交流電圧・コンバータ（３相対３相電力変換装置）を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し目的を達成するために、本発明にかかる３相対３相電力変換装置は、３相の電源電圧をパルス幅変調された３相電圧に変換する３相対３相電力変換装置であって、正の入力端子および負の入力端子を備える出力側の電圧中間回路パルス制御変換手段を形成する出力部分と、３相電圧の各入力端子間に印加される線間電源電圧の正の部分を前記電圧中間回路パルス制御変換手段の入力端子に接続する入力部分と、を備え、前記入力部分は、前記出力部分の正の入力端子と負の入力端子の間に３つのブリッジ分岐を有し、前記入力部分の各ブリッジ分岐は、それぞれ前記３相電圧の各入力端子から分岐して前記出力部分の正の入力端子へ接続する双方向にターンオフ可能な電子スイッチと、前記３相電圧の各入力端子から分岐して前記出力部分の負の入力端子へ接続する双方向にターンオフ可能な別の電子スイッチと、を具備し、双方向にターンオフ可能な各電子スイッチの具体化は、２つの交流電圧端子と、２つの直流電圧端子と、コレクタ側で正の直流電圧端子と接続し、かつ、エミッタ側で負の直流電圧端子と接続するパワートランジスタと、を備える単相ダイオードブリッジによって実現されて、各交流電圧端子が切り換え極を形成し、前記出力部分は、前記正の入力端子と前記負の入力端子の間に同一構造の３つのブリッジ分岐を有し、前記出力部分の各ブリッジ分岐は、コレクタが前記正の入力端子と接続する第１のパワートランジスタと、コレクタで第１のパワートランジスタのエミッタと接続しエミッタで前記負の入力端子と接続する第２のパワートランジスタと、前記第１および第２のパワートランジスタにそれぞれ逆平行に配置された第１および第２のパワーダイオードと、を具備し、前記第１のパワートランジスタと前記第２のパワートランジスタとの接続点は、変換後の３相電圧を出力するための出力端子とされ、前記出力部分の正の入力端子を、前記３相電圧の各入力端子における第１の電源相から第２の電源相へ切り換える第１の時点で、前記出力部分の３つのブリッジ分岐の第１のパワートランジスタを接続して第２のパワートランジスタを遮断することによって、または、前記出力部分の３つのブリッジ分岐の第２のパワートランジスタを接続して第１のパワートランジスタを遮断することによって、前記出力部分を一時的にフリーホイーリング状態に切り換えて前記出力部分の入力電流をゼロとし、前記第１の時点に後続する第２の時点で第１の電源相に対応する電子スイッチのターンオフを行い、前記第２の時点に後続する第３の時点で第２の電源相に対応する電子スイッチのターンオンを行い、前記第３の時点に後続する第４の時点で前記出力部分のフリーホイーリング状態を解消し、出力電圧の生成に必要な制御コマンドを前記出力部分のパワートランジスタに対して通知することによって、第１の電源相と第２の電源相の切り換えをフリーホイーリング状態中の所定時間帯に行うことを特徴とする。
【００１３】
つぎの発明にかかる３相対３相電力変換装置にあっては、前記各パワートランジスタをＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴとすることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる３相交流電圧・交流電圧・コンバータ（３相対３相電力変換装置）の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１５】
本発明の基本的思想は、ハイブリッド型ダイレクト変換器の入力部分のターンオフ可能なブリッジ分岐を具体化するために、２つの双方向にターンオフ可能な電子スイッチを使用する。この電子スイッチの具体化には、それぞれわずか１つのパワートランジスタしか必要としない。本発明の３相交流電圧・交流電圧・コンバータの出力側の電圧中間回路パルス制御変換器は、変わらずに保たれるので、全体の構造としては、１２個のターンオフ可能なパワートランジスタを有することになる。
【００１６】
このように構成される本発明の３相交流電圧・交流電圧・コンバータの制御は、原則として、公知のハイブリッド型ダイレクト変換器の場合と同様に行われる。ただし、入力側のコンバータのブリッジ分岐をターンオフして別のブリッジ分岐をターンオンする前に、すなわち、出力側の電圧中間回路パルス制御変換器の入力部に印加される線間電源電圧を交代させる前に、出力側の電圧中間回路パルス制御変換器がフリーホイーリング状態に切り換えられると、出力側の電圧中間回路パルス制御変換器の入力電流がゼロになる。すなわち、出力側の電圧中間回路パルス制御変換器の入力部に印加される線間電源電圧を交代させる前に、出力側の電圧中間回路パルス制御変換器の正の入力電圧レールと接続されているすべてのパワートランジスタがつながれるか（そして負の入力電圧レールと接続されたすべてのパワートランジスタが遮断される）または出力側の電圧中間回路パルス制御変換器の負の入力電圧レールと接続されたすべてのパワートランジスタがつながれると（そして負の入力電圧レールと接続されたすべてのパワートランジスタが遮断される）、出力側の電圧中間回路パルス制御変換器の入力電流がゼロになり、本発明の入力側のシステム部分のブリッジ分岐の切り換えを無段階に行うことができる。これにより、切り換え過電圧が電流の断絶によって確実に防止され、過電圧制限を設ける必要がなくなる。そして、入力側のシステム部分の切り換え後、出力側の電圧中間回路パルス制御変換器のフリーホイーリング状態が再び解消され、所望の出力電圧を生成可能な状態になる。このような切り換え方法は、そのままの形で、公知のハイブリッド型ダイレクト変換器にも適用することができる。
【００１７】
つぎに、図面を参照しながら本発明の構成および動作を詳しく説明する。図１は、本発明にかかる３相交流電圧・交流電圧・コンバータ１の構成を示す図である。本発明の３相交流電圧・交流電圧・コンバータ１は、入力部分２の構造と、出力部分３の公知の構造と、を備える、また、３相交流電圧・交流電圧・コンバータ１は、入力端子４，５，６に印加される三相電源電圧をパルス幅変調された三相電圧に変換し、出力端子７，８，９から出力する。このとき、出力相電圧に含まれる固有振動の振幅と周波数を自由に設定することができる。
【００１８】
出力部分３は、正の入力端子１３と負の入力端子１４の間で同一構造のブリッジ分岐１０，１１，１２を備える三相の電圧中間回路パルス制御変換器によって形成されている。ブリッジ分岐を具体化するために、公知の形態で、パワートランジスタ１５がコレクタで正の入力端子１３と接続される。さらに、コレクタ側でパワートランジスタ１５のエミッタにつながっている別のパワートランジスタ１６が、エミッタで負の入力端子１４と接続されている。パワートランジスタ１５および１６は、逆平行にパワーダイオード１７および１８が配置されており、パワートランジスタ１５および１６の接続部が、出力端子７，８，９に通じている。
【００１９】
一方、本発明における入力部分２は、出力部分３の正の入力端子１３と負の入力端子１４の間に位置する、同じく３つのブリッジ分岐１９，２０，２１を有している。ブリッジ分岐１９，２０，２１は、入力端子４，５，６から分岐して出力部分３の正の入力端子１３へつながっている左右対称にターンオフ可能なそれ自体公知の構造の電子スイッチ２２，２３，２４と、当該入力端子から分岐して出力部分３の負の入力端子１４へつながる別の左右対称にターンオフ可能なそれ自体公知の構造の電子スイッチ２５，２６，２７によって、構成されている。
【００２０】
電子スイッチ２２，２３，２４，２５，２６，２７の具体化は、それ自体公知であり、交流電圧端子２９，３０と、直流電圧端子３１，３２と、コレクタ側が直流電圧端子３１に位置しかつエミッタ側が直流電圧端子３２に位置するパワートランジスタ３３と、を備える単相ダイオードブリッジ２８によって実現され、交流電圧端子２９，３０が切り換え極を形成する。左右対称にターンオフ可能な電子スイッチ２２および２７を閉じることにより、入力端子４と６の間にある線間電源電圧が出力部分３の入力端子１３および１４に印加される。そして、出力部分３のパルス幅変調によって、出力端子７，８，９に変換された三相電圧を出力することができる。なお、本発明による３相交流電圧・交流電圧・コンバータ１の制御は、公知のハイブリッド型ダイレクト変換器の制御と一致しているので、詳しい説明は省略する。
【００２１】
図２は、本発明の制御タイミングを示す図である。出力部分３の入力電流を入力端子４，５，６の電源相に相応に分割するために、そして、図２に信号２２→２３で示すように、出力部分３の正の入力端子１３を時点３４で入力端子４の電源相から入力端子５の電源相に切り換えようとするときには（このとき、結果として再び出力部分３の正の入力電圧が生じなければならない）、出力部分３が一時的にフリーホイーリング状態に切り換えられ（図２の制御信号３５参照）、出力部分３への入力電流がゼロになる。すなわち、ブリッジ分岐１０，１１，１２のパワートランジスタ１５がつながれてパワートランジスタ１６が遮断されるか、またはブリッジ分岐１０，１１，１２のパワートランジスタ１６がつながれてパワートランジスタ１５が遮断され、出力部分３への入力電流がゼロになる。
【００２２】
したがって、続く時点３６での電子スイッチ２２のオフは（図２の制御信号３７参照）、後続する時点３８での電子スイッチ２３のオン（図２の制御信号３９参照）と同じように無段階に行われる。続いて、出力部分３のフリーホイーリング状態３５が時点４０で解消され、出力端子７，８，９に対応する各出力電圧の生成に必要な制御コマンドが出力部分３のパワートランジスタに印加される。つまり、入力端子４と５の電源相の切り換えは、オーバーラップなしに行われ、すなわち、時点３８と時点３６の間の差に相当する時間帯に行われ、それによって、電子スイッチ２２および２３の制御段階の切り換え速度と信号進行時間が有限であっても、電源相の短絡が確実に防止される。
【００２３】
また、切り換え点３６，３４，４０および３８の時間間隔は、同様に、信号処理やパワートランジスタの制御段階での信号進行時間を考慮したうえで選択し、いずれの場合であっても前述した整流シーケンスが保証されるようにする。出力部分３の負の入力端子１４と接続されている２つの電源相の間で切り換えを行うときは、内容的に上記と同じ手順を実行する。
【００２４】
このように、本実施の形態では、上記本発明の入力部分と公知の出力部分とを備える構成としたため、１２個のターンオフ可能なパワートランジスタを備えた３相交流電圧・交流電圧・コンバータ（３相対３相電力変換装置）を得ることができる。
【００２５】
また、フリーホイーリング状態中の時点３８と時点３６の間に相当する時間帯に電源相の切り換えを行う構成としたため、電源相同士の短絡を確実に防止できる。
【００２６】
【発明の効果】
以上、説明したとおり、本発明によれば、上記本発明の入力部分と公知の出力部分とを備える構成としたため、１２個のターンオフ可能なパワートランジスタを備えた３相対３相電力変換装置を実現できる、という効果を奏する。また、本発明によれば、２つの電源相の切り換え時は常にフリーホイーリング状態を成立させることができる、という効果を奏する。さらに、本発明によれば、フリーホイーリング状態中の所定の時間帯に電源相の切り換えを行う構成としたため、電源相同士の短絡を確実に防止できる、という効果を奏する。
【００２９】
つぎの発明によれば、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴのパワー半導体を備えた３相対３相電力変換装置を実現できる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる３相交流電圧・交流電圧・コンバータの構成を示す図である。
【図２】本発明の制御タイミングを示す図である。
【符号の説明】
１３相交流電圧・交流電圧・コンバータ（３相対３相電力変換装置）、２入力部分、３出力部分、４，５，６，１３，１４入力端子、７，８，９出力端子、１０，１１，１２，１９，２０，２１ブリッジ分岐、１５，１６パワートランジスタ、１７，１８パワーダイオード、２２，２３，２４，２５，２６，２７電子スイッチ、２８単相ダイオードブリッジ、２９，３０交流電圧端子、３１，３２直流電圧端子、３３パワートランジスタ。

Claims

３相の電源電圧をパルス幅変調された３相電圧に変換する３相対３相電力変換装置であって、
正の入力端子および負の入力端子を備える出力側の電圧中間回路パルス制御変換手段を形成する出力部分と、
３相電圧の各入力端子間に印加される線間電源電圧の正の部分を前記電圧中間回路パルス制御変換手段の入力端子に接続する入力部分と、
を備え、
前記入力部分は、前記出力部分の正の入力端子と負の入力端子の間に３つのブリッジ分岐を有し、
前記入力部分の各ブリッジ分岐は、
それぞれ前記３相電圧の各入力端子から分岐して前記出力部分の正の入力端子へ接続する双方向にターンオフ可能な電子スイッチと、
前記３相電圧の各入力端子から分岐して前記出力部分の負の入力端子へ接続する双方向にターンオフ可能な別の電子スイッチと、
を具備し、
双方向にターンオフ可能な各電子スイッチの具体化は、
２つの交流電圧端子と、
２つの直流電圧端子と、
コレクタ側で正の直流電圧端子と接続し、かつ、エミッタ側で負の直流電圧端子と接続するパワートランジスタと、
を備える単相ダイオードブリッジによって実現されて、各交流電圧端子が切り換え極を形成し、
前記出力部分は、前記正の入力端子と前記負の入力端子の間に同一構造の３つのブリッジ分岐を有し、
前記出力部分の各ブリッジ分岐は、
コレクタが前記正の入力端子と接続する第１のパワートランジスタと、
コレクタで第１のパワートランジスタのエミッタと接続しエミッタで前記負の入力端子と接続する第２のパワートランジスタと、
前記第１および第２のパワートランジスタにそれぞれ逆平行に配置された第１および第２のパワーダイオードと、
を具備し、
前記第１のパワートランジスタと前記第２のパワートランジスタとの接続点は、変換後の３相電圧を出力するための出力端子とされ、
前記出力部分の正の入力端子を、前記３相電圧の各入力端子における第１の電源相から第２の電源相へ切り換える第１の時点で、前記出力部分の３つのブリッジ分岐の第１のパワートランジスタを接続して第２のパワートランジスタを遮断することによって、または、前記出力部分の３つのブリッジ分岐の第２のパワートランジスタを接続して第１のパワートランジスタを遮断することによって、前記出力部分を一時的にフリーホイーリング状態に切り換えて前記出力部分の入力電流をゼロとし、
前記第１の時点に後続する第２の時点で第１の電源相に対応する電子スイッチのターンオフを行い、
前記第２の時点に後続する第３の時点で第２の電源相に対応する電子スイッチのターンオンを行い、
前記第３の時点に後続する第４の時点で前記出力部分のフリーホイーリング状態を解消し、出力電圧の生成に必要な制御コマンドを前記出力部分のパワートランジスタに対して通知することによって、第１の電源相と第２の電源相の切り換えをフリーホイーリング状態中の所定時間帯に行う
ことを特徴とする３相対３相電力変換装置。
前記各パワートランジスタをＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴとすることを特徴とする請求項１に記載の３相対３相電力変換装置。